半导体器件物理课件——第八章1

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1、第八章发光二极管和半导体激光器1907.Round发现电流通过硅检波器时有黄光发生1923.Lossev在碳化硅检波器中观察到类似现象1955.Braunstein首次在三-五族化合物中观察到辐射复合1961.Gershenzon观察到磷化镓PN结发光1962年砷化镓发光二极管和激光器研制成功1970年砷化镓-铝镓砷激光器实现室温连续8.1辐射复合与非辐射8.1辐射复合和非辐射复合在复合过程中电子多余的能量可以以辐射的形式（发射光子）释放出来，这种复合称为辐射复合，它是光吸收的逆过程。在复合过

2、程中电子的多余能量也可以以其它形式释放出来，而不发射光子，这种复合称为非辐射复合。光电器件利用的是辐射复合过程，非辐射复合过程则是不利的。了解半导体中辐射复合过程和非辐射复合过程是了解光电器件的工作机制和进行器件设计的基础。8.1.1辐射复合1.带间辐射复合带间辐射复合是导带中的电子直接跃迁到价带与价带中的空穴复合。发射的光子的能量接近等于半导体材料的禁带宽度。由于半导体材料能带结构的不同，带间辐射复合又可以分为直接辐射复合和间接辐射合两种:导带价带导带价带图8-1带间复合：（a）直接能隙复合（b）间接

3、能隙复合8.1.1辐射复合直接辐射复合对于直接带隙半导体，导带极小值和价带极大值发生在布里渊区同一点如图8.1a所示。电子在跃迁过程中必须遵守能量守恒和准动量守恒准动量守恒要求（8-1）=跃迁前电子的波矢量=跃迁后电子的波矢量=跃迁过程中辐射的光子的波矢量（8-2）(8-2)式说明这种跃迁发生在空间的同一地点，因此也被称为竖直跃迁。8.1.1辐射复合（8-2）(8-2)式说明这种跃迁发生在空间的同一地点，因此也被称为竖直跃迁。能量守恒要求（8-3）式中=跃迁前电子的能量=跃迁后电子的能量=辐射光子的能量

4、8.1.1辐射复合间接辐射复合在这种半导体中，导带极小值和价带极大值不是发生在布里渊区的同一地点，因此这种跃迁是非竖直跃迁。准动量守恒要求在跃进过程中必须伴随声子的吸收或放出。即（8-4）为声子的波矢，正号表示放出声子，负号表示吸收声子，相应能量守恒的条件为（8-5）为声子频率。一般比电子能量小得多，可以略去。为声子的能量，8.1.1辐射复合2.浅能级和主带之间的复合它可以是浅施主与价带空穴或浅受主与导带电子之间的的复合，如图8-2所示。图8-2浅能级杂质与主带的复合8.1.1辐射复合3.施主受主

5、对（D-A对）复合施主受主对复合是施主俘获的电子和受主俘获的空穴之间的复合。在复合过程中发射光子光子的能量小于禁带宽度。这是辐射能量小于禁带宽度的一种重要的复合发光机制，这种复合也称为D-A对复合。D-A对复合模型认为，当施主杂质和受主杂质同时以替位原子进入晶格格点并形成近邻时，这些集结成对的施主和受主系统由于距离较近，波函数相互交叠使施主和受主各自的定域场消失而形成偶极势场，从而结合成施主受主对联合发光中心，称为D-A对。D-A对发光中心的能级如图8-3所示。图8-3D－A对复合能级图8.1.

6、1辐射复合3.施主－受主对复合施主俘获电子，受主俘获空穴之后都呈电中性状态。施主上的电子与受主上的空穴复合后，施主再带正电，受主再带负电。所以D－A对复合过程是中性组态产生电离施主受主对的过程，故复合是具有库仑作用的。跃迁中库仑作用的强弱取决于施主与受主之间的距离的大小。粗略地以类氢原子模型处理D－A对中心。在没有声子参与复合的情况下，发射的光子能量为（8-6）8.1辐射复合3.施主受主对复合对于材料，不同杂质原子和它们的替位状态会造成对的电离能不同。例如：氧施主和碳受主杂质替代磷的位置，在温度为时，

7、；而氧施主杂质是磷替位和锌受主杂质是镓替位，在温度为时，。D-A对的发光在室温下由于与声子相互作用较强，很难发现D－A对复合的线光谱。但是，在低温下可以明显地观察到对发射的线光谱系列。这种发光机构已为实验证实并对发光光谱作出了合理的解释。8.1辐射复合4.通过深能级的复合电子和空穴通过深能级复合时，辐射的光子能量远小于禁带宽度，发射光的波长远离吸收边。对于窄禁带材料，要得到可见光是困难的，但对于宽禁带材料，这类发光还是有实际意义的，例如中的红色发光，便是属于这类复合。深能级杂质除了对辐射复合有影响外，往

8、往是造成非辐射复合的根源，特别是在直接带隙材料中更是如此。所以在实际工作中，往往需要尽量减少深能级，以提高发光效率。8.1辐射复合5.激子复合如果半导体吸收能量小于禁带宽度的光子，电子被从价带激发。但由于库仑作用，它仍然和价带中留下的空穴联系在一起，形成束缚状态。这种被库仑能束缚在一起的电子-空穴对就称为激子。如果激子复合以辐射方式释放能量，就可以形成发光过程。自由激子：对于直接带隙半导体材料，自由激子复合发射光子的能量为式中为激子能级。对